Producción de semilla de alta calidad de frijol común (Phaseolus vulgaris L.) Rodolfo Araya Villalobos Marco Vinicio Gutiérrez-Soto — Editores — Universidad de Costa Rica Vicerrectoría de Investigación Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno Alajuela, Costa Rica 2016 Comité editorial Dr. Juan Carlos Rosas Sotomayor Escuela Agrícola Panamericana, Zamorano. Tegucigalpa, Honduras. jcrosas@zamorano.edu Prof. Leopoldo Baudet, Ph.D. Universidade Federal de Pelotas. Pelotas, Rio Grande do Sul, Brasil. lmbaudet@gmail.com Dr. Luis Álvarez Welchez Ex asesor Técnico Principal del proyecto “Semillas para el desarrollo”, FAO, Consejo Agropecuario Cen- troamericano (CAC). Tegucigalpa, Honduras. lalvarezwelchez@gmail.com editores Rodolfo Araya Villalobos Universidad de Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Programa de Legumi- nosas de Grano. Barrio San José, Alajuela, Costa Rica. avillalo2005@hotmail.com Marco Vinicio Gutiérrez-Soto Universidad de Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Programa de Ecofisio-logía Vegetal y Fisiología de los Cultivos. Barrio San José, Alajuela, Costa Rica. marcovgutierrez82@gmail.com Portada Mauricio José Arce Guzmán Universidad de Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Programa de Ecofisio- logía Vegetal y Fisiología de los Cultivos. Barrio San José, Alajuela, Costa Rica. marguz24@gmail.com ediCión e imPresión digital: • www.edinexo.co.cr 635 Araya Villalobos, Rodolfo A663p Producción de semilla de alta calidad de frijol común / Rodolfo Araya Villalobos y Marco Vinicio Gutiérrez Soto (editores) -1ª. ed.- San José, C.R.: Ediciones Didácticas Nexo E.I.R.L., 2016. 238 p. : 27,5 cm x 21 cm. Nota: Material tipo ensayo ISBN 978-9968-557-95-5 1. Frijoles. 2. Cultivo. 3. Semillas. 4. Germinación. 5. Agrícola. I. Título. Como citar este documento: R. Araya, y MV. Gutiérrez (eds). 2015. Producción de semilla de alta calidad de frijol común (Phaseolus vulgaris L.). Universidad de Costa Rica, Vicerrectoría de Investigación, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno. Alajuela, CRC. © Derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial de este libro sin la autorización de los autores. Universidad de Costa Rica Vicerrectoría de Investigación Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno Alajuela, Costa Rica Enero 2016 AUTORES Adriana Murillo-Williams Fisiología y fitopatología Universidad de Costa Rica. Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS) Laboratorio de Micotoxinas Ciudad Universitaria Rodrigo Facio. San Pedro de Montes de Oca, San José, Costa Rica adriana.murillowilliams@ucr.ac.cr Carlos Manuel Araya Fernández Fitopatología Universidad Nacional, Escuela de Ciencias Agrarias, Laboratorio de Fitopatología Heredia, Costa Rica carlosmanuel.araya@gmail.com Flor Ivette Elizondo Porras Antropología Social y Administración de Empresas Ministerio de Agricultura y Ganadería, Dirección Nacional de Extensión Agropecuaria Departamento de Desarrollo Metodológico Sabana Sur, antiguo colegio La Salle. San José, Costa Rica fielizondo@gmail.com; felizondo@mag.go.cr Gabriel Garbanzo-León Universidad de Costa Rica, Sistema de Estudios de Posgrado Ciudad Universitaria Rodrigo Facio. San Pedro de Montes de Oca, San José, Costa Rica jgabriel.garbanzo@gmail.com Helga Blanco-Metzler Entomología Universidad de Costa Rica, Centro de Investigaciones en Protección de Cultivos (CIPROC) Ciudad Universitaria Rodrigo Facio. San Pedro de Montes de Oca, San José, Costa Rica helgablanco@gmail.com Juan Carlos Hernández Mejoramiento genético Instituto Nacional de Innovación y Transferencia en Tecnología Agropecuaria (INTA), Programa de Frijol Sabana Sur, antiguo colegio La Salle. San José, Costa Rica jchernandez@inta.go.cr Karolina Martínez Umaña Economía agrícola, administración de proyectos Programa Integral de Mercadeo Agropecuario (PIMA). Cenada, Barreal de Heredia, Costa Rica kamuta@yahoo.com Orlando Carrillo Araya Tecnología de semillas Oficina Nacional de Semillas. Jefatura Departamento Técnico Calles 21 y 25, avenida 8, barrio González Lahmann, San José, Costa Rica orcarrillo@hotmail.com Marta Montero Calderón Ingeniería Química y de Alimentos Universidad de Costa Rica. Escuela de Ingeniería Agrícola y Centro de Investigaciones Agronómicas / Laboratorio de Tecnología Poscosecha. San José, Costa Rica 2600-11503 marta.montero@ucr.ac.cr Marco Vinicio Gutiérrez Soto Ecofisiología Vegetal Universidad de Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Programa de Ecofisiología Vegetal y Fisiología de los Cultivos Barrio San José, Alajuela, Costa Rica marcovgutierrez82@gmail.com Rodolfo Araya Villalobos Mejoramiento genético, rescate de biodiversidad silvestre y cultivada y producción de semilla. Universidad de Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Programa de Leguminosas de Grano Barrio San José, Alajuela, Costa Rica avillalo2005@hotmail.com Walter Paulo Quirós Ortega Tecnología de Semillas Oficina Nacional de Semillas - Dirección Ejecutiva Calles 21 y 25, avenida 8, barrio González Lahmann, San José, Costa Rica wquiros@ofinase.go.cr 5 ÍNDICE Presentación ............................................................................................................................ El valor estratégico de las semillas .......................................................................................... CAPÍTULO 1. LA CALIDAD DE LAS SEMILLAS ES DE ALTO VALOR COMERCIAL, SOCIAL Y ESENCIAL PARA LA SEGURIDAD ALIMENTARIA Marco Vinicio Gutiérrez-Soto y Rodolfo Araya Villalobos Introducción ............................................................................................................................. La importancia del frijol común (Phaseolus vulgaris L.) ........................................................ Producción de semillas de alta calidad .................................................................................... Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 2. LA CALIDAD DE LAS SEMILLAS DE FRIJOL SE DEFINE EN EL CAMPO: UNA PERSPECTIVA ECO-FISIOLÓGICA Marco V. Gutiérrez Soto y Rodolfo Araya Villalobos Introducción ............................................................................................................................. La producción de semillas vista como un componente del balance de energía de los agro-ecosistemas ............................................................................................... Balance de carbono durante el ciclo de vida de la planta de frijol común ............................... Los perfiles morfo-fisiológicos y ambientales del dosel controlan la calidad de las semillas del frijol común .......................................................................................................... La determinación del rendimiento del frijol común ................................................................ El sistema radical, las relaciones simbióticas y la calidad de las semillas del frijol común ........................................................................................................................ Las relaciones simbióticas ....................................................................................................... Los nódulos y la fijación simbiótica del N2 atmosférico ......................................................... Las micorrizas del frijol común y su relación con la calidad de las semillas .......................... El efecto del estrés sobre la calidad de las semillas ................................................................. El rendimiento del frijol común: un caso de senectud monocárpica ....................................... Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 3. MORFOGÉNESIS, COMPOSICIÓN Y CALIDAD DE LAS SEMILLAS DEL FRIJOL COMÚN Marco Vinicio Gutiérrez Soto Introducción ............................................................................................................................. La formación de las semillas .................................................................................................... Contribución de la fotosíntesis del fruto a la formación de las semillas ................................. Control agronómico de la calidad de las semillas del frijol común ......................................... Literatura consultada ................................................................................................................ 13 13 15 16 18 19 20 21 24 25 30 31 33 34 36 38 42 43 48 49 54 56 57 6 CAPÍTULO 4. EL DETERIORO Y LA PÉRDIDA DEL VIGOR Y LA VIABILIDAD DE LAS SEMILLAS. POSIBILIDADES DE REVITALIZACIÓN Marco Vinicio Gutiérrez Soto Introducción ............................................................................................................................. Cambios en las membranas durante el deterioro ..................................................................... Cambios en las mitocondrias ................................................................................................... Alteraciones cromosómicas ..................................................................................................... Síntesis de ARN y proteínas .................................................................................................... Cambios en las reservas alimenticias y pérdida del vigor ....................................................... Posibilidades de reparación y revitalización de las semillas ................................................... Posibilidades de revertir el deterioro de las semillas ............................................................... Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 5. PATÓGENOS QUE REDUCEN LA CALIDAD DE LA SEMILLA Carlos Manuel Araya Fernández Enfermedades de las plantas .................................................................................................... Transmisión de patógenos por la semilla ................................................................................. Infección de la semilla .................................................................................................... Importancia en la diseminación de patógenos ................................................................ Importancia para la supervivencia de patógenos ............................................................ Enfermedades causadas por hongos ......................................................................................... Pudriciones radicales ...................................................................................................... Enfermedades de follaje causadas por hongos ............................................................... Enfermedades causadas por bacterias ...................................................................................... Enfermedades causadas por virus ............................................................................................ Pruebas de sanidad ................................................................................................................... Estrategias de combate ............................................................................................................. Normas para la aprobación de lotes reproductores .................................................................. Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 6. PLAGAS INSECTILES ASOCIADAS AL CULTIVO DE FRIJOL Helga Blanco-Metzler y Gabriel Garbanzo-León Introducción ............................................................................................................................. Insectos que afectan la fase vegetativa (V0-V3) ..................................................................... Semillas .......................................................................................................................... Raíces ............................................................................................................................. Tallo ................................................................................................................................ Follaje ............................................................................................................................. Áfidos o pulgones ........................................................................................................... Ácaros ............................................................................................................................. Fase reproductiva. Granos y semillas ............................................................................. Literatura consultada ................................................................................................................ 59 59 60 60 60 61 61 62 64 65 66 66 67 67 67 68 72 76 77 77 78 79 81 82 82 82 83 84 86 88 106 109 111 7 CAPÍTULO 7. ACONDICIONAMIENTO Y ALMACENAMIENTO DE LAS SEMILLAS DE FRIJOL Marta Montero Calderón y Adriana Murillo-Williams Introducción ............................................................................................................................. Generalidades de las semillas de frijol ..................................................................................... Acondicionamiento de la semilla de frijol ............................................................................... Operaciones previas del secado ............................................................................................... Recepción, identificación y control de calidad ............................................................... Pre-limpieza .................................................................................................................... Secado ...................................................................................................................................... Propiedades del aire ........................................................................................................ Propiedades de la semilla que afectan el secado ............................................................ La operación de secado .................................................................................................. Tiempo de secado ........................................................................................................... Métodos de secado ......................................................................................................... Empaque y almacenamiento .................................................................................................... Preparación para el almacenamiento .............................................................................. Empaque o preparación para almacenamiento a granel ................................................. Almacenamiento bajo condiciones controladas ............................................................. Cambios durante el almacenamiento ....................................................................................... Control de plagas insectiles y vertebradas ............................................................................... Sanidad e inocuidad de las semillas ......................................................................................... Buenas prácticas agrícolas (bpa) en la planta procesadora y durante el almacenamiento ....... Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 8. CRITERIOS DE CALIDAD DE LAS SEMILLAS Y PRUEBAS PARA SU EVALUACIÓN Adriana Murillo-Williams Introducción ............................................................................................................................. Calidad de las semillas ............................................................................................................. Pureza genética ............................................................................................................... Pureza física ................................................................................................................... Sanidad de semilla .......................................................................................................... Germinación ................................................................................................................... Vigor ............................................................................................................................... Humedad de las semillas ................................................................................................ Muestreo ......................................................................................................................... Características del grano ................................................................................................. Literatura consultada ................................................................................................................ 114 114 119 120 121 121 123 123 126 126 127 128 130 130 130 133 135 135 136 138 139 142 142 142 142 143 143 146 148 148 148 151 8 CAPÍTULO 9. SISTEMA ALTERNATIVO DE PRODUCCIÓN DE SEMILLA DE ALTA CALIDAD DE FRIJOL COMÚN Rodolfo Araya Villalobos, Juan Carlos Hernández y Karolina Martínez Umaña Introducción ............................................................................................................................. La buena calidad de la semilla ........................................................................................ Producción Artesanal de Semillas (PAS) y el Fitomejoramiento Participativo (FP) ........................................................................................................... ¿Por qué fomentar la producción local de semilla en organizaciones de pequeños productores? ................................................................................................................... ¿Qué es una semilla? ...................................................................................................... ¿Cómo estar seguros de la calidad de la semilla? ........................................................... Importancia de la disponibilidad de semilla ................................................................... Uso de grano como semilla ............................................................................................ ¿La calidad de la semilla me asegura el éxito? ........................................................................ Experiencias sobre producción local de semilla ............................................................. Semilla certificada y descripción varietal ....................................................................... ¿Qué es un cultivar o variedad? ...................................................................................... Entes oficiales de certificación de semillas de Centroamérica ...................................... La Oficina Nacional de Semillas de Costa Rica ............................................................. Control de calidad en el campo ................................................................................................ Comité técnico ................................................................................................................ Actividades del comité técnico ....................................................................................... Selección del terreno ...................................................................................................... Variedad y cantidad de semilla para la siembra .............................................................. Manejo agronómico ........................................................................................................ Fiscalización del cultivo ................................................................................................. Muestreo de los campos de producción ......................................................................... Recomendaciones para los reproductores de semillas .................................................... Inspección de campo ................................................................................................................ Normas para la aceptación de los campos de producción .............................................. Control de calidad en pos cosecha ........................................................................................... Posibles riesgos de contaminación ................................................................................. Operaciones .................................................................................................................... Control de puntos críticos ............................................................................................. Cosecha y transporte a la planta de procesamiento ................................................................. Registros .................................................................................................................................. Control del acondicionado y del control de calidad ................................................................. Recepción del lote de semillas ....................................................................................... Formulario de recibo de la semilla ................................................................................. Muestreos ....................................................................................................................... Homogenización de la muestra del lote de semilla ........................................................ Contenido de humedad ................................................................................................... Evaluación de la condición física ................................................................................... Evaluación de la condición fitosanitaria ......................................................................... Evaluación de la germinación en las Organizaciones de Agricultores ........................... 153 154 154 155 155 156 156 157 158 158 159 160 160 160 161 161 161 161 162 162 162 162 163 163 163 165 165 165 166 166 166 166 166 167 167 167 167 167 168 170 9 Método en papel toalla ................................................................................................... Método en cajas con arena ............................................................................................. El vigor de la semilla ...................................................................................................... Prelimpieza .............................................................................................................................. Secado ...................................................................................................................................... Secado al sol ................................................................................................................... Secado artificial .............................................................................................................. Limpieza .................................................................................................................................. Clasificación ............................................................................................................................. Acabado final .................................................................................................................. Tratamiento .............................................................................................................................. Envasado .................................................................................................................................. Almacenamiento ...................................................................................................................... Muestreo de la semilla almacenada ................................................................................ Control de inventario ...................................................................................................... Equipos de protección personal ...................................................................................... Pesticidas ........................................................................................................................ Verificación oficial de la calidad de la semilla ......................................................................... Comentarios finales y conclusiones ......................................................................................... Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 10. CONTROL DE CALIDAD DE LA SEMILLA DE FRIJOL: COMITÉS TÉCNICOS EN ORGANIZACIONES DE AGRICULTORES Rodolfo Araya Villalobos, Flor Ivette Elizondo Porras, Juan Carlos Hernández Fonseca y Karolina Martínez Umaña Introduccion ............................................................................................................................. Organización y administración del comité técnico .................................................................. Integrantes del comité técnico ........................................................................................ Funciones de los miembros del comité técnico .............................................................. Renovación de los integrantes del comité técnico .......................................................... Equipo de apoyo ............................................................................................................. Comité Central ................................................................................................................ Objetivos del Comité Central ......................................................................................... Integrantes del Comité Central: Coordinador y secretario ............................................. Funciones del comité técnico ................................................................................................... Cuarto frío u otro método de almacenamiento y conservación de semilla ..................... Área de capacitación ....................................................................................................... Área de divulgación ........................................................................................................ Bitácora del comité técnico ............................................................................................ Recursos financieros para el proceso de investigación participativa y para la producción local de semilla ........................................................................................................................ Fondo operativo .............................................................................................................. Fiscalización de la operatividad del comité técnico ................................................................ Literatura consultada ................................................................................................................ 171 171 172 173 173 173 174 174 174 175 175 175 176 176 176 177 177 177 178 179 184 184 184 185 186 186 186 186 187 187 188 189 189 189 189 189 190 191 10 CAPÍTULO 11. LEGISLACIÓN SOBRE LA PRODUCCIÓN, COMERCIO Y USO DE SEMILLAS Walter Paulo Quirós Ortega Introducción ............................................................................................................................. Características de la legislación regional en semillas .............................................................. Objetivos de la legislación ....................................................................................................... Actividades reguladas ..................................................................................................... Autoridad nacional competente ...................................................................................... Ámbito de aplicación ............................................................................................................... Derechos del consumidor de semillas ............................................................................ Producción y comercio de semillas .......................................................................................... ¿Por qué se debe controlar la producción y el comercio? ........................................................ ¿Por qué se registran las variedades? ....................................................................................... Requisitos generales para la producción y comercio de semillas ............................................ Productores de semillas .................................................................................................. Comerciantes de semillas ............................................................................................... Rotulado y etiquetado ..................................................................................................... Otros sistemas de control de calidad ........................................................................................ Literatura consultada ................................................................................................................ CAPÍTULO 12. CERTIFICACIÓN DE SEMILLAS Y CONTROL DE CALIDAD Orlando Carrillo Araya Introducción ............................................................................................................................. Relevancia del insumo semilla de buena calidad ..................................................................... Mejoramiento genético y calidad de semilla ........................................................................... Registro y elección de variedades para certificación u otras modalidades de control de calidad ................................................................................................................ Factores que determinan la calidad de la semilla ..................................................................... Valor genético y calidad varietal .............................................................................................. Calidad fitosanitaria ................................................................................................................. Calidad fisiológica ................................................................................................................... Calidad física ........................................................................................................................... Procedimientos y normas de calidad ........................................................................................ Limitación de generaciones y categorías de semilla. Categorías de semillas .......................... Semilla genética o material parental ............................................................................... Semilla básica o de fundación ........................................................................................ Semilla registrada ........................................................................................................... Semilla certificada .......................................................................................................... Esquema del control oficial de calidad y comercio de semillas ............................................... Atribuciones de los entes encargados por ley de la certificación y control oficial en semillas ..................................................................................................... Inscripción e inspección de campos ......................................................................................... Muestreo oficial y análisis de calidad ...................................................................................... Envase, rotulado y etiquetado .................................................................................................. Conclusiones ............................................................................................................................ Literatura consultada ................................................................................................................ 192 192 193 193 194 194 195 196 196 196 197 197 197 198 198 200 201 202 202 203 204 204 205 205 206 206 207 208 208 208 209 209 210 210 211 212 212 214 11 CAPÍTULO 13. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS Marco V. Gutiérrez Soto y Rodolfo Araya Villalobos Legislación ............................................................................................................................... Promover la producción campesina de semillas de alta calidad .............................................. Capacitación académica ........................................................................................................... Investigación ............................................................................................................................ RESUMEN DE LOS CAPÍTULOS DE ESTE LIBRO ........................................................... 216 217 217 217 219 13 PRESENTACIÓN EL VALOR ESTRATÉGICO DE LAS SEMILLAS La escasez de tierra cultivable y de agua para riego, los efectos del cambio climático, el crecimiento demográfico y los cambios en los perfiles de las dietas, son algunos de los desafíos a los que nos enfrentamos desde ya y de seguro, con más apremio en las próximas décadas. El aumento de la productividad agrícola acompañada de la práctica de una agricultura sostenible, basada en la utilización racional de los recursos naturales y el apoyo de la investigación y la inno- vación, será determinante para responder a la demanda de más y mejores alimentos. En este contexto, la semilla como depositaria del potencial genético de las variedades agrícolas, es un vehículo fundamental para la innovación y la mejora de los cultivos. El aumento en la producti- vidad y el suministro de semillas y materiales de siembra de alta calidad, resultan imprescindibles para garantizar la mejor producción agrícola, tanto para las áreas de mayor potencial como para aquellas menos favorecidas y satisfacer así, los crecientes desafíos ambientales, respondiendo a la demanda de la sociedad de más y mejores alimentos. Se ha estimado que 80 % del crecimiento global de la producción de alimentos, en las décadas comprendidas entre 1960 a 1980, fue el resultado del crecimiento en la productividad y solo el 20 % provino de una expansión de la superficie cultivable. Con la disminución de la tierra arable dis- ponible, es claro que el crecimiento necesario para cumplir con la demanda de alimentos debería provenir de un aumento en la productividad. En la actualidad, otro componente debe agregarse a este escenario, el desafío del cambio climático. Se ha llegado a estimar que los rendimientos agrí- colas bajarán en gran parte de los países en los próximos 20 o 30 años, considerando las prácticas y variedades que hoy se utilizan. Esto significa que será cada vez más necesaria una intensificación sostenible de la agricultura, en la que se aumenten los rendimientos reduciendo simultáneamente el impacto sobre el agroecosistema y sin dedicar más tierra a la agricultura. La semilla es entonces, un bien estratégico nacional: es el primer eslabón de la producción primaria y de la cadena agroalimentaria. Algunos datos de la Organización de las Naciones Unidad para la Alimentación y la Agricultura, FAO, son importantes de repasar: • En 2050 se necesitará un 60 % más de alimentos. • El 80 % de la dieta y la nutrición humana proviene de las plantas. • Hay 250.000 especies de plantas identificadas, solo 30.000 son comestibles. • Apenas 30 especies de plantas son los cultivos que alimentan al mundo. • De cinco cultivos cerealeros (arroz, trigo, maíz, mijo y sorgo) se obtiene el 60 % del aporte calórico de la población mundial. • El 70 % de los alimentos consumidos en el mundo provienen de semillas. La producción de semillas de calidad es una actividad de alta tecnología que demanda años de in- vestigación y desarrollo y grandes inversiones. A diferencia de la producción de granos, la produc- ción de semillas requiere de cuidados adicionales, mayor precisión en los procedimientos y más capacidades técnicas. 14 Se deben implementar diversos controles para asegurar la pureza genética y la calidad de los atribu- tos fisiológicos de cada variedad. La semilla requiere de un adecuado manejo poscosecha, clasifi- cación, tratamiento y almacenamiento para poder asegurar la calidad y el control de factores como el grado de humedad, la pureza física y varietal, la viabilidad, el contenido de semillas de malezas y la presencia de enfermedades. Las semillas constituyen un insumo básico de la agricultura y representan un pilar estratégico en la producción agropecuaria, son una pieza fundamental de la industria agroalimentaria y de la econo- mía de los países agro-exportadores. El frijol común, es un cultivo cercano a la cultura latinoamericana, su historia corre paralela a la de la Región, transformándose con el paso del tiempo, en un cultivo universal. Desde el sentido antro- pológico hasta el nutricional, su presencia en los campos de cultivos y las mesas de miles de habi- tantes del mundo acrecientan su importancia. El presente libro editado por el Ms. Rodolfo Araya y el Dr. Marco Gutiérrez son al mismo tiempo un tributo a esta historia además de un recuento fundamental desde el punto de vista científico y de extensión sobre este cultivo. Las contribuciones realizadas por las Universidades, el sector productivo y de Gobierno son por otra parte, un ejemplo de trabajo en equipo y coordinación del sector que sin duda redundará en beneficios tanto para los conocedores y practicantes del sector como para todo aquel que se interese por conocer más sobre esta leguminosa. Los temas abordados van desde la seguridad alimentaria, la fisiología, las plagas, tratamientos poscosecha, calidad, certificación y leyes. Es sin duda un material valioso y una exce- lente contribución de este equipo de expertos y expertas del campo. Dra. Alice Pérez Sánchez Vicerrectora de Investigación Universidad de Costa Rica San José, Costa Rica Noviembre 2015 15 CAPÍTULO 1 LA CALIDAD DE LAS SEMILLAS ES DE ALTO VALOR COMERCIAL Y SOCIAL, Y ESENCIAL PARA LA SEGURIDAD ALIMENTARIA Marco Vinicio Gutiérrez-Soto Rodolfo Araya Villalobos Introducción La disponibilidad de semillas de alta calidad es esencial para garantizar la seguridad alimentaria del planeta y la sostenibilidad del sector agroalimentario nacional e internacional. La semilla es un insumo esencial y estratégico en toda actividad agrícola, porque encierra el potencial genético de aspectos agronómicos como el rendimiento, la adaptabilidad al ambiente cambiante, y la resis- tencia a plagas y enfermedades, y permite optimizar la inversión realizada en la preparación del terreno, la siembra, los agroquímicos, la cosecha, y otras labores e insumos. A diferencia de la mayoría de los otros insumos, las semillas son organismos vivos, especialmente sensibles al ambiente y susceptibles al deterioro, lo cual tiene consecuencias importantes en el es- tablecimiento, el desarrollo y el rendimiento de los cultivos producidos a partir de ellas. La calidad comprende atributos que incluyen la pureza física y varietal, la germinación, el vigor, y la sanidad de las semillas, entre otros, que permiten el establecimiento en el campo de plantas vigorosas, sanas y representativas de la variedad seleccionada (Marshall y Grace, 1992; Egli, 1998; Benech-Arnold y Sánchez, 2004). Además de la importancia económica, las semillas tienen profundos significados sociales, afec- tivos, y culturales en las comunidades campesinas, que se perpetúan y transmiten en la forma de reservas comunitarias y familiares, ferias de intercambio de semillas de identidad, y fitomejora- miento participativo. Estos procesos propician la obtención y producción de semillas para el en- torno local, promueven el empoderamiento campesino, y facilitan la denominación de origen de las variedades, los sistemas de producción y los agro-ecosistemas. Estos procesos conducen a la seguridad y la soberanía alimentaria, y demandan comercio justo. Algunos atributos simples de medir como la textura de las vainas y la imbibición de las semillas pueden ser indicadores de la calidad de las semillas, del tiempo de cocción y otras propiedades culinarias y nutritivas de los granos del frijol (González et al., 2006). Las normas de calidad de los frutos frescos (las vainicas) y de las semillas del frijol común de los cultivares europeos (Escribano et al., 1997; González et al., 2006) incluyen la curvatura de las vainas, el tiempo de cocción de las vainas y las semillas, la relación longitud: anchura y anchura: grosor de los frutos y las semillas, la textura, el volumen, la dureza, el color, el volumen de la cubierta, la absorción de agua, y el conte- nido de proteínas, azúcares, almidón, lípidos, y minerales esenciales. Los factores que controlan la producción de semillas de alta calidad (Figura 1) incluyen la constitu- ción genética, que establece el potencial productivo y la composición química general de las semi- llas; los factores ambientales y el desempeño fisiológico determinan la producción de biomasa y su 16 partición hacia los órganos aprovechables (vainas o semillas) en las fracciones químicas deseadas. El estrés modifica los patrones de partición de la biomasa hacia órganos y fracciones químicas “an- tagonistas”. Diversas prácticas agronómicas realizadas a diferentes escalas del sistema productivo y del agro-ecosistema (el suelo, la planta, la atmósfera, la finca), pueden modificar los componentes y los determinantes de la calidad de las semillas. Todos estos factores son considerados a lo largo de los capítulos que conforman este compendio. Figura 1. Componentes de la calidad de las semillas del frijol común (Phaseolus vulgaris L.): genético, fisiológico, nutricional, efectos del estrés, e intervenciones agronómicas a varias escalas del proceso de producción. La importancia del frijol común (Phaseolus vulgaris L.) El frijol común es la más importante de las cinco especies de Phaseolus cultivadas, y de las más de 50 especies silvestres de Phaseolus originarias del Neotrópico, que se distribuyen desde el norte de México hasta el noroeste de Argentina, donde muestran considerable variación en su ciclo de vida (anuales y perennes), características morfológicas y hábito de crecimiento, fenología, color de las flores, sistema reproductivo, adaptación a diferentes ambientes, respuestas fotoperiódicas (White y Laing, 1989), y en las características de los frutos y las semillas. Esta alta diversidad in- cluye factores determinantes de la calidad como el tamaño y el color de la cubierta, el contenido y tipo de faseolinas (las principales proteínas de almacenamiento) y de varios nutrientes minerales y orgánicos esenciales en la dieta humana (O’Brian y Vance 2007). En el frijol común, la producción (rendimiento) de semillas está negativamente asociada con el tamaño de las semillas, de manera que los cultivares de semillas más grandes tienden a ser menos productivos (Sexton et al., 1997a). 17 El frijol ha sido un componente esencial de los sistemas autóctonos de producción de alimentos de- bido a su capacidad para crecer en diversos tipos de suelos, fijar N2 atmosférico, alta micorrización, y alta plasticidad fenotípica que le permite adaptarse a múltiples escenarios de cultivo. Los frijoles cultivados han sufrido importantes cambios durante la domesticación, que han afectado el hábito de crecimiento y han resultado en el “gigantismo” de las hojas, la supresión de la dehiscencia de los frutos, la insensibilidad al fotoperiodo, la pérdida de la latencia y en una amplia variedad de colores, tamaños y formas de las semillas (Singh et al., 1991). El cultivo del frijol ha existido por miles de años (4-8), pudiéndose identificar en la actualidad dos grandes grupos de germoplasma, Mesoamericanos y Andinos, con tres razas cada uno: Durango, Jalisco y Mesoamérica, y Nueva Granada, Perú y Chile, respectivamente (Singh et al., 1991). Las líneas mesoamericanas y andinas difieren en varios aspectos morfológicos. Las razas andinas pa- recen tener menores tasas fotosintéticas y de crecimiento, debido presuntamente a su menor peso foliar específico (g/m2), conductividad estomática y contenido foliar de nitrógeno (Sexton et al., 1997b). Estas razas se han extendido desde las Américas y se han constituido en un elemento esen- cial de la dieta de muchas culturas alrededor del mundo (Escribano et al., 1997; González et al., 2006). En la actualidad, aproximadamente el 25 % de la producción mundial de los cultivos más importantes se deriva de las leguminosas de grano, y 33 % de los requerimientos del nitrógeno en la dieta humana proviene de estas leguminosas. Además, las vainas verdes son uno de los vegetales frescos más consumidos en el mundo (Escribano et al., 1997), lo que hace del estudio del desarrollo de los frutos y de las semillas de las leguminosas, un tópico de amplio interés y objeto de estudio en este libro. Como la mayoría de las plantas vasculares, el frijol común se reproduce sexualmente a través de la alternancia de generaciones. El genoma del frijol es de los más pequeños dentro de las legumino- sas, de solo 625 Mpb por genoma haploide (Gepts, 2001). El ciclo de vida tiene una fase esporo- fítica dominante (2N = 22), seguida por una gametofítica haploide. El esporófito produce esporas vía meiosis, mientras que el gametófito produce gametos vía mitosis. Los gametos femeninos son producidos en el arquegonio y los masculinos en el anteridio. Las fases meióticas del ciclo repro- ductivo son especialmente sensitivas a diversos tipos de estrés. El sistema reproductivo del frijol común es autógamo (ocurre auto-polinización), aunque bajo al- gunas condiciones puede ocurrir alta polinización cruzada (Singh et al., 1991, González et al 2004, González et al 2005, Chaves et al 2003). La autopolinización de las flores ocurre durante su aper- tura, y la fecundación sucede 8-9 horas después. La polinización cruzada es muy baja (1 %) pero puede alcanzar el 8-10 % entre eras adyacentes. Varios tipos de abejas visitan las flores y pueden polinizarlas, y se sugiere que los thrips, que pueden entrar en las flores antes de su antesis, pueden también actuar como polinizadores del frijol. Aunque efectivamente los insectos parecen realizar la hibridación del frijol común, los componentes del rendimiento no se incrementan, lo que tiene im- plicaciones para las prácticas de polinización asistida. En Brasil, plantas de P. vulgaris protegidas de la polinización cruzada por varios medios, produjeron el mismo número y calidad de vainas y granos que las plantas experimentalmente expuestas a los insectos. Por lo tanto, es improbable que la instalación de apiarios en plantaciones de frijol común influencie su producción. Para reducir la hibridación durante la producción de semillas certificadas de alta pureza genética, se recomienda aislar los cultivares (Chaves et al., 2013). Las semillas maduras del frijol común están compuestas por la testa (9 %), el hilum, el micrópilo, la rafe y el eje embrionario (1 %), el cual está formado por la plúmula, dos hojas primarias, el hipo- 18 cótilo, dos cotiledones (90 %), y la radícula (Debouck e Hidalgo, 1984). Cada semilla de raza me- soamericana pesa en promedio entre 0.18 y 0.22 g y su desarrollo se completa en unos 30 días. Las vainas miden unos 12 cm y pueden contener hasta 6-7 semillas. El valor nutricional de las semillas del frijol común se deriva de su alto contenido de proteínas, minerales (Fe, P, Zn, Mg, K), vitaminas (tiamina, ácido fólico), y fibra, y su complementariedad con cereales de alto contenido de carbo- hidratos disponibles, como el maíz y el arroz. Típicamente una cosecha de frijoles está compuesta por 15-25 % de frutos y 85-75 % de semillas, éstas últimas constituidas por 50-70 % carbohidratos no disponibles en su mayoría, 16-30 % proteínas, 1-3 % lípidos saturados de alta calidad, 7 % ligni- na, 4 % ácidos orgánicos, y 3-5 % minerales esenciales, con un promedio de humedad a la cosecha de 11 % (Penning de Vries et al., 1983). Producción de semillas de alta calidad La producción de semillas de alta calidad puede ser objeto de estudio y mejoramiento a varios nive- les: genético, fisiológico y agronómico, y resulta en la liberación de semillas con alto potencial de rendimiento y de mejor calidad nutricional, en la forma de productos novedosos con denominación de origen, producción orgánica y ecológica, o bio-fortificación a través de la manipulación genética y las prácticas como el abonamiento foliar (O’Brian y Vance, 2007). La semilla, como insumo esencial y estratégico, difiere de los otros insumos en que es un organis- mo vivo susceptible al deterioro, lo cual tiene consecuencias importantes en el establecimiento, el desarrollo y el rendimiento de los cultivos producidos a partir de ellas. A través de los capítulos de este libro, atributos como la pureza física y varietal, la germinación, el vigor, y la sanidad de las semillas, son relacionadas con el establecimiento de plantas vigorosas, sanas y representativas de la variedad seleccionada, capaces de expresar su potencial genético y agronómico. En este libro se proveen los conceptos, las definiciones, los requisitos y las recomendaciones agro- nómicas y legales necesarias para la producción, el acondicionado, el almacenamiento y la comer- cialización de las semillas de frijol común de alta calidad, a través de una serie de capítulos inde- pendientes pero complementarios, con un alto contenido técnico. En algunas ocasiones se recurre a comparaciones con otras especies de leguminosas de grano para mostrar la generalidad de los fenómenos descritos o para obtener información carente para el frijol común. Estas publicaciones cubren numerosos aspectos del crecimiento y la productividad, la economía y el uso del agua, el carbono, el nitrógeno y los minerales, y la nutrición orgánica y mineral de las leguminosas de gra- no. Por ejemplo, se dispone de un conocimiento agronómico superior sobre especies con un alto grado de sintenia (posición y función similar que ocupan los genes en el genoma o mapa genético de especies relacionadas) con el frijol común, como la soya (Glycine max) y el frijol rabiza (Vigna sinensis), que se asemejan además en cuanto al índice de cosecha y el rendimiento por unidad de área foliar. 19 Literatura citada Benech-Arnold, RL., and RA. Sánchez. 2004. Handbook of seed physiology; applications to agri- culture. Food Products Press. New York. 480 p. Chaves-Barrantes, NF; R. Araya, y DG. Debouck. 2014. Cruzamiento natural en frijol común en Costa Rica. Agronomía Mesoamericana 25(1):01-10. Chaves, N., R. Araya, y D.G. Debouck. 2003. Polinización natural del frijol común en Costa Rica. In. VII Taller Anual de Resultados de Investigación y Transferencia de Tecnología. Programa de Investigación y Transferencia de Tecnología Agropecuaria –Frijol (PITTA-Frijol). San José, Costa Rica. 35--40 p. Debouck, DG., y R. Hidalgo. 1984. Morfología de la planta de fríjol común. 2 ed. CIAT. Cali, Colombia. 49 p. Egli, DB. 1998. Seed biology and the yield of grain crops. CAB International, UK. 178 p. Escribano, MR; M. Santalla, y AM. de Ron. 1997. Genetic diversity in pod and seed quality traits of common bean populations from northwestern Spain. Euphytica 93: 71-81. Gepts, P. 2001. Phaseolus vulgaris (Beans). Academic Press. University of California, Davis, USA. 2 p. González, AM; AB. Monteagudo, PA. Casquero, AM. de Ron, and M. Santalla. 2006. Genetic variation and environmental effects on agronomical and commercial quality traits in the main European market classes of dry bean. Field Crops Research 95: 336-347. González-Torres, E. Gaitan, R. Araya, O. Toro, J Tohme, and D G Debouck. 2005. Evidence of gene flow among bean species of section Phaseoli in Colombia and Costa Rica, using microsatelli- te markers. Annu. Rept. Bean Improvement Cooperative (USA) 48. González-Torres, E. Gaitan, R. Araya, O. Toro, J Tohme, and D G Debouck. 2004. Additional evi- dence on gene flow events in Phaseolus vulgaris in Costa Rica. Annu. Rept. Bean Improvement Cooperative (USA) 47: 167-168. Marshall, C., and J. Grace. 1992. Fruit and seed production; aspects of development, environ- mental physiology and ecology. Society for Experimental Biology Seminar Series 47. Cambridge University Press. Great Britain. 256 p. O´Brian, MR., and CP. Vance. 2007. Legume Biology: Sequence to Seeds. Plant Physiology 144: 537. Penning de Vries, FW., HH. Van Laar, and MC. Chardon. 1983. Bioenergetics of growth of seeds, fruits and storage organs. In: Potential productivity of field crops under different environments. International Rice Research Institute. Laguna, Philippines. p. 37-60. Sexton, PJ., KJ. Boote, JW. White, and CM. Peterson. 1997a. Seed size and seed growth rate in relation to cotyledon cell volume and number in common bean. Field Crops Research 54: 163-172. Sexton, PJ., CM. Peterson, KJ. Boote, and JW. White. 1997b. Early-season growth in relation to region of domestication, seed size, and leaf traits in common bean. Field Crops Research 52: 69-78. Singh, SP; P. Gepts, and DG. Debouck. 1991. Races of common bean (Phaseolus vulgaris, Fabaceae). Economic Botany 45(3): 379-396. White, JW; and DR. Laing. 1989. Photoperiod response of flowering in diverse genotypes of com- mon bean (Phaseolus vulgaris). Field Crops Research 22: 113-128. 20 CAPÍTULO 2 LA CALIDAD DE LAS SEMILLAS DE FRIJOL SE DEFINE EN EL CAMPO: UNA PERSPECTIVA ECO-FISIOLÓGICA Marco V. Gutiérrez Soto Rodolfo Araya Villalobos Introducción La producción sostenible y estable de semillas de alta calidad es el producto final deseado de los agro-ecosistemas frijoleros energéticamente balanceados y ecológicamente fundamentados. Desde el punto de vista eco-fisiológico, representa el éxito del proceso de “la cosecha del sol” por parte de las hojas de la plantación, su eficiencia en la conversión de la energía lumínica en biomasa, y de su distribución preferencial hacia el rendimiento final, tanto en la cantidad como en la calidad de los granos y las semillas producidas, según sean dedicados al consumo humano o a la siembra agrícola. El desempeño fisiológico de las variedades de frijol determina la calidad de las semillas durante su formación en el campo. La especialización fisiológica es el motor funcional detrás de los ideo- tipos diseñados para la producción intensiva en monocultivos, bajo reducida competencia inter- específica y abastecidos con insumos introducidos al agro-ecosistema a un alto costo energético y ambiental. Bajo condiciones agroecológicas óptimas, a elevaciones de 200-1500 m, temperaturas superiores a los 18 ºC y preferiblemente entre 22-28 ºC, y una densidad de siembra de 175-230.000 plantas/ha, 50-60 cm entre surcos, y 10-14 plantas/m lineal, las plantaciones de frijol son agro- ecosistemas que alcanzan un IAF óptimo = 3,5-4,5, caracterizados por sus bajos rendimientos (< 0,7 t/ha) en la mayoría de los países productores alrededor del mundo (Gepts, 2001). Varios fac- tores eco-fisiológicos como la baja tasa de crecimiento, alta foto-respiración, alto número de días requeridos para el cierre del dosel, baja longevidad foliar, y alta precocidad reproductiva, inciden en este reducido rendimiento. El cultivo del frijol puede ser objeto de mejoramiento a varios niveles: genético, fisiológico y agro- nómico, considerándose como objetivos primordiales en la actualidad la obtención de mayores ren- dimientos, mejor calidad nutricional, el desarrollo de bio-productos novedosos (O’Brian y Vance, 2007), y la comercializados a través de redes de distribución y consumo justos (“fair trade”). Un esfuerzo integrado para lograr el mejoramiento de la calidad de los granos y las semillas debe pro- curar el flujo de recursos en la forma de asimilados y nutrientes hacia los órganos cosechables y mejorarlo en cuanto a lo siguiente: 1. Aumento del contenido de aminoácidos azufrados y minerales como hierro, zinc y calcio. 2. Reducción del contenido de lípidos saturados (como el palmitato). 3. Solución de la carencia de metionina y de cisteína en la globulina de las semillas, la principal proteína de almacenamiento. 4. Remoción de componentes anti-nutricionales como los alérgenos y los factores de flatulencia. 5. Mejoramiento de la digestibilidad y la facilidad para el procesamiento en la industria alimen- 21 taria, a través de la manipulación del contenido, la composición y la estructura de los gránulos de almidón, y el tiempo de cocción de los granos (Wang et al., 2003). El mejoramiento agronómico moderno debe estar orientado por la necesidad de producir bajo altos estándares de calidad ambiental y con uso eficiente de los recursos e insumos, en agro-ecosistemas tropicales sostenibles y bajo sistemas de producción apropiados para las variadas condiciones bajo las cuales se cultiva el frijol común (Chaves y Araya 2014), que incluyen grandes áreas dedicadas a la agricultura en laderas. Estos agro-ecosistemas complejos deben idealmente contener alta bio- diversidad en fincas diversificadas, con diversas variedades de frijol común plantadas simultánea- mente, lo cual mejora la resiliencia de las fincas. La producción de semillas vista como un componente del balance de energía de los agro-ecosistemas El rendimiento potencial del frijol común Y puede expresarse como una función de la eficiencia del dosel en la captura de la luz fotosintéticamente activa (RAF, 0.487): Y = 0.487 * ST * EI * EC * EP donde ST es la radiación solar total incidente durante la ontogenia del cultivo (620 MJ), EI es la eficiencia en la interceptación de la luz RAF (0,9), determinada por el desarrollo y el cierre del dosel, y por su absorbancia, longevidad, tamaño y arquitectura, EC (0,032) es la diferencia entre la fotosíntesis gruesa y la suma de la respiración y de la foto-respiración, y EP, el índice de cosecha, es la proporción de la biomasa aérea distribuida (particionada) hacia el órgano aprovechable (0,6). Bajo condiciones óptimas de cultivo y en ausencia de estrés biótico y abiótico, el rendimiento ener- gético del frijol común probablemente varía alrededor de 18 MJ m-2 (Zhu et al., 2010). Debido a que el frijol común es una planta con metabolismo fotosintético C3, menos del 5 % de la energía solar disponible es convertida en biomasa (Figura 1), (Zhu et al., 2010). Como se indicó antes, varios factores como la baja tasa de crecimiento, alta fotorespiración, el alto número de días requeridos para el cierre del dosel, la baja longevidad foliar y la alta precocidad reproductiva, inci- den en este reducido rendimiento (Laing et al., 1983). Figura 1. Conversión de la energía solar disponible en biomasa en cultivos C3 y C4 (traducida de Zhu et al., 2010). 22 Las pérdidas energéticas y la baja eficiencia en el uso de la luz y otros recursos limitantes como el agua y los minerales se deben a varios factores fisiológicos, ambientales, y agronómicos. Del total de la radiación solar, más de la mitad no es fotosintéticamente activa y se encuentra fuera del rango útil en la fotosíntesis (Zhu et al., 2010). Además, una importante proporción de esta energía es reflejada y transmitida por las hojas, o desaprovechada debido a ineficiencias fotoquímicas y limitaciones propias de la fotosíntesis C3. De la RAF aprovechada, un cultivo C3 como el frijol común fotorespira un 6 % y respira un 2 %, lo que lo hace considerablemente menos eficiente y productivo que cultivos C4 como el maíz, cuya fotorespiración es muy baja y su eficiencia en el uso del agua muy alta. El desarrollo fenológico de las plantaciones de frijol común y otras leguminosas de grano se des- cribe mejor utilizando códigos que sustituyen la escala cronológica (y los días después de la siem- bra) por descripciones del estado vegetativo y reproductivo de las plantas (Figura 2). En estas descripciones, a partir de la germinación se registra el número de nudos y de hojas, la aparición y la apertura de las flores, y el progreso en la maduración de los frutos y las semillas. Estos registros se ajustan mejor al desarrollo fisiológico de las plantas de frijol, que depende en gran medida de la radiación solar, la temperatura y el fotoperiodo. Figura 2. Etapas de desarrollo de distintas variedades de frijol común cultivadas en Costa Rica (Vives Saborío, 2014). La formación del rendimiento del frijol común a partir de R5 es un complejo fenómeno morfo- genético que idealmente se ajusta a una vigorosa curva sigmoidea (Figura 3), cuya culminación coincide con la senectud monocárpica de las plantas en R9. Sobre el andamio vegetativo construido desde V0 y hasta R8 (tallos y ramas), y más allá en tipos indeterminados, se establecen las unidades fitoméricas que sostienen el rendimiento de alta calidad y sirven de reservorio temporal de carbo- hidratos y nutrientes minerales requeridos para la formación subsecuente de las semillas (Laing et al., 1983). 23 Figura 3. Parámetros clave del crecimiento de P. vulgaris cv. Porrillo Sintético, con una ontogenia de aproximadamente 75 días. El índice de área foliar óptimo (LAI~3) se alcanza aproximadamente a los 35 días. La biomasa total y el número de nudos, vainas y semillas se expresan por m2 de área cultivada (traducida de Laing et al., 1983). Dependiendo del ambiente, en variedades mesoamericanas cultivadas en el trópico la ontogenia del cultivo tarda 60-90 días, la tasa de crecimiento es cercana a 15 g/m2 de hojas/día, las plantas florecen entre los 23-39 días, la madurez fisiológica ocurre a los 60-80 días, y la cosecha desde los 65 y hasta más de 85 días después de la siembra. Se registran tasas diarias de uso del agua de hasta 7 mm/día durante la madurez del cultivo, lo que implica un consumo de 300-400 mm de agua du- rante toda la ontogenia. El índice de cosecha de los cultivares modernos es cercano a 0,4-0,5, y el rendimiento puede variar desde 500 hasta más de 2000 kg/ha (Norman et al., 1984). El rendimiento record bajo condiciones tropicales es de 5 t/ha para un cultivo de 90 días (Laing et al., 1983). La calidad de las semillas es afectada por la nutrición mineral de las plantas durante la ontogenia, por la efectividad del traslado de los nutrientes durante su formación, la presencia de patógenos o plagas y por la programación oportuna de la cosecha con el objeto de reducir las pérdidas de peso y de minerales (por lixiviación, por ejemplo), y otros problemas posteriores a la madurez fisiológi- ca. Diferentes minerales se acumulan a tasas diferentes en las semillas en desarrollo, y los tejidos vegetativos juegan un importante papel en su captura, almacenamiento temporal, y redistribución durante la formación de las mismas (Sharkey y Pate, 1976; Cakmak, 1994). El frijol puede extraer 53, 6, 55, 30, y 8 kg/ha de N, P, K, Ca y Mg, respectivamente, de los cuales aproximadamente 48 % del N, 58 % del P, 48 % del K, y 19 % del Ca son componentes de las se- millas cosechadas. El floema es la principal ruta para el traslado de los minerales desde las hojas, a través del cual se extraen y se trasladan a las semillas 60-90 % del N, P y K foliares, 20-60 % del Mg, Zn, Mn, Fe y Cu, y menos del 20 % del Na y el Ca (Hocking y Pate, 1977). Por cada gramo de N, P y K absorbido por la planta de frijol, se producen 18, 151, y 25 g de semilla, respectivamente (Laing et al., 1983). Los frutos y las semillas son los principales consumidores de nitrógeno a partir de R7, y al llegar a R9 las semillas contienen aproximadamente el 70 % del nitrógeno y 55 % del peso seco total de la planta (Westermann et al., 1985). 24 Balance de carbono durante el ciclo de vida de la planta de frijol común La máxima tasa de fotosíntesis neta de las hojas de frijol (metabolismo fotosintético C3) varía de 25 a 40 mg CO2/dm2 de hoja/hora. Cada hoja sucesivamente producida durante el crecimiento ini- cial de una planta tiene mayor capacidad fotosintética, alcanza su máximo en la hoja 3 o 4, y las hojas producidas subsecuentemente muestran tasas de fotosíntesis similares. En hojas individuales, la fotosíntesis se incrementa con el tamaño, alcanza su máximo más o menos al final de la máxima expansión foliar, se mantiene constante por un periodo de 7-20 días y luego declina. La fotorespi- ración consume poco menos del 20 % de la ganancia fotosintética de las hojas (Fraser y Bidwell, 1974), y la eficiencia asimilatoria (tasa fotosintética/tasa fotorespiratoria) sigue un patrón semejan- te al de la fotosíntesis aparente (Figura 4). Figura 4. Intercambio fotosintético de gases en las hojas sucesivamente producidas por plantas de frijol común en relación con el crecimiento longitudinal de las hojas. Se incluye la tasa fotorespiratoria de las hojas primarias (traducida de Fraser y Bidwell, 1974). La asignación del nitrógeno foliar a la fotosíntesis es rápidamente ajustada según las condiciones de crecimiento, y puede variar desde 6 % en hojas bajo sombra hasta 20 % en hojas expuestas al sol (Seemann et al., 1987). Las hojas son anfiestomáticas; la superficie abaxial tiene una densidad estomática de 254-537/cm2 mientras que en la adaxial es de solo 45-124/cm2 (Ehleringer, 1990); la densidad de los tricomas varía entre 116-791/cm2 según el cultivar, y la mayoría son curvados, aunque hay tricomas aciculares también (Oriani y Lara, 2000). La implicación de los tricomas en la respuesta del frijol al estrés tanto biótico (herbivoría, plagas y enfermedades) como abiótico (dé- ficit hídrico y alta temperatura) no debería descuidarse en programas de selección para tolerancia al estrés de varios tipos. La capacidad de la planta de frijol para aprovechar la RAF incidente depende de una combinación de rasgos morfo-fisiológicos como la producción de hojas más gruesas, mejor distribuidas verti- calmente, con tejidos parenquimáticos bien diferenciados, alta densidad y conductividad estomá- 25 tica, alta fotosíntesis aún bajo condiciones de alta RAF y temperatura, aumentos en la relación de clorofila a:b, descensos en la actividad del fotosistema II, incrementos en la actividad del ciclo de las xantofilas en las hojas (Wentworth et al., II_2006), y óptima partición y eficiencia en el uso del nitrógeno en el dosel (Seemann et al., 1987). Un balance de carbono positivo a lo largo del desarrollo del cultivo es importante para la produc- ción de semillas de alta calidad (Figura 4), y se reconoce que los descensos en la cantidad de la luz y de la fotosíntesis durante el periodo de llenado de las semillas reducen significativamente la co- secha. Las variaciones diurnas en la actividad fotosintética, la respiración, y la exportación de asi- milados por el floema causan fluctuaciones diurnas en el peso de las hojas, debidas principalmente a cambios en los niveles de carbohidratos no estructurales, como los azúcares y el almidón. Los niveles de azúcares (sacarosa principalmente) son máximos (12-13 %) en la tarde, y los de almidón al final del día. Las hojas pierden azúcares (hasta llegar a 9-10 %) y almidón durante la noche de- bido a la respiración, que puede consumir hasta 25 % de la ganancia fotosintética diaria (Laing et al., 1983). En cultivos mejor estudiados, el balance de carbono se puede estimar mediante modelos de crecimiento relativamente simples que integran los regímenes de la luz y la temperatura diarias, una tarea pendiente para el cultivo del frijol común. Las plantas de frijol transferidas a la oscuridad o a la sombra experimentan un rápido descenso en la exportación de asimilados y en la concentración de solutos en el floema. El ritmo de los niveles de azúcares y sustancias nitrogenadas en el floema se asemeja al medido en las hojas y los frutos. El flujo de azúcares hacia los frutos parece depender directamente de la fotosíntesis y de la con- centración actual de azúcares de las hojas que los alimentan. La tasa de crecimiento del cultivo, un importante índice fisiológico, es de menos de 15 g/m2/día (Sale, 1975; Laing et al., 1983). Con una concentración de nitrógeno foliar de 16 mg/dm2 de hoja, la fotosíntesis se satura a 150-250 J/m2/s en días de alta radiación, bajo la cual un dosel de frijol puede fijar 35-40 mg de C/dm2/hora. Las hojas son los principales contribuyentes de carbohidratos a través de la fotosíntesis actual, mientras que las raíces, tallos y ramas constituyen reservorios temporales. La concentración de carbohidratos no estructurales cambia frecuentemente en los peciolos y los pulvinos a lo largo del día, lo que probablemente está vinculado con la reparación de los embolismos y las respuestas he- liotrópicas de las hojas, especialmente bajo condiciones de estrés (Pastenes et al., 2005). A los 72 días después de la siembra (dds) los frutos contienen 5-8 % de los carbohidratos no estructurales, los cuales descienden a menos del 1 % a la madurez fisiológica. A los 80 días después de la siem- bra, durante el crecimiento de las semillas, el fruto contiene 11-18 % de los carbohidratos, que descienden finalmente a menos del 2 %. En la semilla de frijol madura, el almidón constituye un 30 % y los azúcares solubles solo un 2-3 % del peso seco (Peña-Valdivia y Ortega-Delgado, 1991). Los perfiles morfo-fisiológicos y ambientales del dosel controlan la calidad de las semillas del frijol común Los doseles de frijol cultivados pueden estar conformados por plantas de al menos cuatro tipos de arquitectura: arbustivos de crecimiento determinado e indeterminado, y semi-trepadores y trepa- dores indeterminados (Figura 5). Estos difieren en el tipo de yema apical, la firmeza del tallo, la habilidad para trepar, la distribución de la carga de frutos (basal, distal) a lo largo del tallo, y la arquitectura del sistema radical. El tipo I es más común en latitudes templadas y ha sido objeto de considerable mejoramiento genético en Norteamérica (Adams, 1982). 26 Figura 5. Tipos arquitecturales del frijol común: plantas arbustivas de crecimiento determinado (tipo I) e indeterminado (tipo II), semi-trepadores (tipo III) y trepadores indeterminados (tipo IV) (tomada bouck e Hidalgo, 1984). El tipo III, postrado y con abundante ramificación, es el más común en las variedades nativas, y probablemente fue seleccionado por los aborígenes como un componente de agro-ecosistemas más diversos y rústicos que los monocultivos actuales, apropiado para la siembra del frijol bajo el sistema tapado (Monge et al, 1987; Ramírez y Araya, 1986; Araya y Gonzáles, 1992; David et al., (Edt.), 1994) y en asocio con el maíz. Los sistemas de producción tradicionales requieren morfo- tipos de frijoles aptos para el cultivo bajo condiciones a menudo marginales, con recursos edáficos limitados, alta competencia con arvenses tropicales muy agresivas, y altos niveles de estrés. El tipo IV es común a elevaciones superiores a 1500 m. En Mesoamérica el tipo II es el más común en las variedades mejoradas de uso comercial. Los materiales I y IV producen las semillas de mayor tamaño (Laing et al., 1983; Debouck e Hidalgo, 1984). El dosel de una plantación está conformado por estructuras nodales que constituyen la base arqui- tectónica de las plantas de frijol modernas, a menudo compactas y con alto índice de cosecha, en las que cada nudo contiene el área foliar necesaria para sustentar el mantenimiento de las estruc- turas vegetativas existentes y el desarrollo de los sumideros, es decir, los frutos en desarrollo y las semillas que éstos contienen. Un ideotipo de frijol común para el monocultivo mecanizado con alta adición de insumos está constituido por una columna sin ramificaciones, formada por unidades fuente-sumidero, conoci- das como “fitómeros” en la literatura fisiológica (Figura 6). En estos ideotipos se ha reducido el crecimiento vegetativo, especialmente de los rasgos importantes para la competencia, como la ra- mificación y el desarrollo de un sistema radical vigoroso y extenso. Además, se han reducido las respuestas morfogenéticas asociadas al estrés causado por factores edáficos, como el aumento en la relación raíz:tallo, porque la alta tecnificación de estos ideotipos garantiza el adecuado suministro de agua y nutrientes. 27 Figura 6. Ideotipo de frijol común para el monocultivo mecanizado con alta adición de insumos y redu- cida competencia. En este ideotipo se ha reducido el crecimiento vegetativo, la ramificación y el desa- rrollo del sistema radical (traducida de Adams, 1982). La eliminación de la dormancia de las semillas garantiza la germinación uniforme, pero se ha sacri- ficado la longevidad durante el almacenamiento, y se ha provocado el viviparismo (Weitbrecht et al., 2011) de las semillas (pueden germinar en la vaina), lo cual puede causar pérdidas considerables en el campo cuando la madurez fisiológica coincide con períodos de alta humedad y precipitación. Los perfiles muestran además cambios en la orientación de las hojas: las hojas superiores tienden a ser más verticales y exhiben paraheliotropismo activo, “solar tracking”, y su fotosíntesis sigue de cerca las fluctuaciones diarias en RAF, mientras que las hojas inferiores son más grandes, delgadas y verdes, y se orientan horizontalmente. Estos perfiles son acompañados por gradientes del área foliar fotosintéticamente activa, conductividad estomática, capacidad fotosintética y balance de carbono, contenido de carbohidratos no estructurales, sustancias nitrogenadas, nutrientes minera- les, y en los nudos, de la distribución de los frutos y las semillas que éstos contienen a lo largo del perfil (Figura 7, Laing et al., 1983). 28 Figura 7. Perfiles de la distribución de la producción de semillas (g/nudo/m2) a lo largo del tallo de plantas de frijol con tipos de crecimiento contrastantes I, II, III y IV. En la mayoría de los cultivares, excepto los de hábito IV, el rendimiento se concentra en los nudos inferiores que se iniciaron primero en la reproducción (traducida de Laing et al., 1983). Los resultados obtenidos en leguminosas modelo (Lupinus albus, 51-58 dds) (Layzell y LaRue, 1982) muestran que el estrato superior de hojas más jóvenes tiene tasas de fotosíntesis moderadas, y satisface las demandas del meristemo apical, de las hojas en expansión, y de otros sumideros importantes como los tallos y los peciolos. Los estratos medios están compuestos por hojas com- pletamente expandidas que sustentan su propio mantenimiento y exportan carbohidratos al meris- temo apical, tallos, peciolos, y a la raíz, en la cual los nódulos y las micorrizas pueden constituir sumideros muy fuertes. Una vez superado este estrato, la tasa fotosintética disminuye en las hojas más sombreadas. El transporte de agua y nutrientes a larga distancia hacia los frutos y las semillas en desarrollo se realiza a través de una compleja red vascular formada por el xilema, el floema, y varios tejidos accesorios. Los estudios de la translocación en las leguminosas han demostrado la interconexión en la transferencia de agua, C y N entre estos tejidos en múltiples puntos y órganos de las plantas (Figura 8, Atkins y Smith, 2007). Por ejemplo, los frutos del lupino transpiran aproximadamente 22,5 ml de agua/g de materia seca producida, de los cuales el xilema suple 60 %, pero a partir del inicio del desarrollo de las semillas el floema se vuelve el tejido más importante en la provisión de agua (Pate et al., 1977). 29 Figura 8. Modelo de desarrollo de los frutos y las semillas de las leguminosas propuesto por Duncan (1986). El modelo representa un solo nudo de una planta de soya. Los asimilados fluyen hacia el crecimien- to vegetativo hasta que ocurre la polinización, que abre la válvula del flujo hacia los frutos en desarrollo. El gradiente hidráulico debe superar el umbral (representado por los bucles sobre el eje principal del dia- grama) para iniciar el flujo hacia las semillas. La válvula A regula la tasa de flujo hacia las semillas y la B se abre y supera los bucles del umbral cuando la semilla ha pasado el período crítico, y ya no abortará. La tasa de flujo a través de la válvula A se aproxima al crecimiento combinado de todas las semillas en el fruto El xilema es un sistema apoplástico responsable de la mayoría del transporte del agua y de los mi- nerales adquiridos en el suelo, formado mayormente por células conductoras muertas. El floema en cambio es un tejido vivo, simplástico, que funciona con un mecanismo de flujo en masa basado en la transmisión de gradientes de turgencia, concentración y presión; el floema contiene el me- dio bioquímico apropiado para la actividad enzimática, y distribuye los asimilados fotosintéticos producidos en las hojas a los sumideros como las raíces, los meristemos, las flores, los frutos y las semillas en desarrollo. La sacarosa es el azúcar más abundante en el floema de la planta de frijol, aunque disacáridos como la trehalosa (Altamirano-Hernández et al., 2007) pueden volverse importantes para la producción de semillas en plantas con fijación simbiótica de N2. La concentración de sacarosa en la savia del floema del frijol común puede alcanzar el 10 %, y suple además la mayoría del carbono y el nitró- geno (98 % y 89 % en frutos de lupino; Pate et al., 1977). La proporción de asimilados y nutrientes escasos como el nitrógeno y el fósforo, destinados a los distintos órganos, cambia durante la onto- genia. La distribución vertical del nitrógeno sigue un patrón también estratificado en el perfil, por- que las hojas jóvenes expandidas y expuestas a la luz reciben una fracción sustancialmente mayor del nitrógeno fijado por los nódulos. El xilema del frijol común y otras leguminosas tropicales transporta además los ureidos alantoína y ácido alantóico como productos de la fijación simbiótica de nitrógeno en los nódulos. Contrario a las leguminosas de clima templado que transportan predominantemente amidas (como la aspara- gina) con una relación C:N de 1:1, la relación C:N de los ureidos tropicales es 1:2, lo que los hace altamente eficientes en el uso de los esqueletos de carbono suministrados por la planta hospedera (Pate et al., 1977). 30 La savia de las leguminosas contiene altas concentraciones de citoquininas, alcaloides, y varios cientos de tipos de polipéptidos. Varias hormonas vegetales como el jasmonato y el ABA, involu- cradas en la senectud monocárpica y en el llenado y la latencia de las semillas, también son encon- tradas en la savia del floema. A esto se suman ácidos nucleicos, mARNs, una multitud de ARNs pequeños con funciones variadas, y señales químicas y eléctricas. Numerosos agroquímicos sisté- micos con funciones diversas (fungicidas, herbicidas, etc.) son también transportados por los teji- dos vasculares. El floema además redistribuye algunos de los solutos transportados por el xilema a órganos de baja transpiración (frutos y meristemos) en las formas químicas y en las proporciones adecuadas (Atkins y Smith, 2007). Estos perfiles morfo-fisiológicos están a menudo asociados a perfiles y gradientes micro-climáticos muy dinámicos, que cambian rápidamente y en distancias muy cortas a lo largo del día. Dentro de un dosel vegetal se desarrollan pronunciados gradientes de luz, temperatura del aire, de las hojas y del suelo, humedad, velocidad del viento, [CO2], [N2] y otros gases, que afectan la actividad fisio- lógica de las hojas y de las raíces. Estos gradientes se extienden hasta el suelo, cuyas propiedades físicas, químicas y biológicas, como la temperatura, el contenido de agua, y la actividad de las raí- ces y los microorganismos, son afectadas por el ambiente aéreo. Esto incluye la actividad de los simbiontes, los nódulos y las micorrizas esenciales en los agro-ecosistemas tropicales. La estratificación morfo-fisiológica y ambiental finalmente se traduce en diferencias en la via- bilidad, el vigor, y la composición de las semillas provenientes de frutos iniciados en diferentes estratos y a diferentes edades. Efectivamente, el establecimiento de los frutos parece depender en primera instancia de cuándo éstos son iniciados y dónde están localizados dentro del dosel. Los frutos más grandes sobreviven más, mientras que los frutos formados más tarde, bajo una alta carga de sumideros, fallan con más frecuencia. Las flores que se abren más tarde, especialmente en los nudos superiores y en las ramas, no resultan en el establecimiento de frutos. El riesgo de aborto parece ser superado cuando el fruto termina la fase crítica de elongación y se inicia el llenado de las semillas (Egli y Bruening, 2006). Las semillas que se desarrollan en los fru- tos más tempranos alcanzan la madurez fisiológica antes, y el máximo vigor se obtiene al momento de la madurez fisiológica (Muasya et al., I y II_2002). De lo anterior resulta evidente que los teji- dos reproductivos formados primero tienen la ventaja en términos de la partición de los asimilados producidos “en tiempo real” (Laing et al., 1983), y explica por qué la sombra ejerce efectos tan dramáticos sobre el aborto de los frutos jóvenes. La determinación del rendimiento del frijol común Los componentes del rendimiento del frijol común dependen en última instancia de la arquitectura vegetativa de la planta y de los nudos reproductivos disponibles para sostener unidades fuente- sumidero a lo largo de un tallo, que corresponde a la altura de las plantas. Está determinado por el número de vainas por planta, el número de semillas por vaina, y el peso de las semillas, el cual es más conservado bajo diversas condiciones de cultivo. El número de vainas por planta es el compo- nente del rendimiento más variable, y las plantas de frijol ajustan el número de vainas con el área foliar y la producción fotosintética actual, y “proceden” a llenar los sumideros establecidos lo más rápido posible. La elongación de los frutos ocurre aceleradamente y la tasa de crecimiento de las semillas es muy alta, lo que influencia la rápida senectud desplegada por las plantas de frijol en el campo (Figura 9). 31 Figura 9. Determinación del rendimiento del frijol común. La altura de la planta tiene un papel determi- nante en el control del rendimiento (traducida de Adams, 1982). El sistema radical, las relaciones simbióticas y la calidad de las semillas del frijol común Las funciones de las raíces del frijol común son variadas, y todas guardan relación con la produc- ción de semillas. Los sistemas radicales del frijol: • Proveen anclaje en el sustrato y soporte estructural, por lo que son un componente de la ar- quitectura, esencial para reducir el volcamiento de las plantas, un problema de campo de gran importancia en la producción de semillas de frijol de alta calidad. • Facilitan la absorción de agua, minerales y otras sustancias bio-activas del suelo, incluidos algunos xenobióticos. En el caso del frijol común, la adquisición de los tres recursos más li- mitantes en los suelos tropicales, agua, N y P, puede ser facilitada por relaciones simbióticas hospedadas por las raíces. • Realizan actividades biosintéticas como la producción de hormonas, vitaminas, enzimas, y metabolitos secundarios. Estas sustancias son esenciales para el metabolismo y el crecimiento de las raíces y de las copas (Carmi y Heuer, 1981), la coordinación de las relaciones raíz:tallo, la nodulación y la micorrización, y la defensa contra patógenos y herbívoros. • Almacenan temporalmente agua, minerales, carbohidratos y sustancias fensa, cuya removili- zación durante la reproducción contribuye al llenado de las semillas. • Propician el desarrollo de la rizosfera, la formación de relaciones simbióticas, y de otras in- teracciones variadas con los organismos del suelo, así como la detección de otras plantas y la defensa contra patógenos y herbívoros. • Realizan fijación biológica del nitrógeno atmosférico (N2) a través de relaciones simbióticas con bacterias (Rhizobium etli, R. tropici y otras especies) alojadas en los nódulos de las raíces. • Forman micorrizas arbusculares (MA) con hongos, que aumentan el volumen del suelo explo- rado y la superficie de absorción de agua y facilitan la adquisición del fósforo, nitrógeno, zinc y otros nutrientes escasos en los suelos dedicados a la producción de frijol. 32 • Producen señales radicales de naturaleza hormonal, nutricional, hidráulica y eléctrica, que coordinan el metabolismo y el desarrollo de la raíz y de la copa, especialmente bajo situacio- nes de estrés, y regulan las relaciones simbióticas establecidas en las raíces. El sistema radical del frijol común (Figura 10) está conformado por tres tipos generales de raíces: la raíz central o pivotante (de la cual se originan varias laterales), las raíces basales, y las raíces adventicias, que se forman en el hipocótilo y cuyo desarrollo es promovido por el uso de cober- turas y los aporques Estos tres tipos de raíces difieren en sus características morfo-fisiológicas y en su importancia en la adquisición de distintos recursos del suelo (agua, N, P), y pueden compe- tir y compensarse entre sí. A estas raíces más gruesas deben sumarse una multitud de raíces finas muy difíciles de cuantificar, que constituyen los elementos arquitecturales más importantes para la adquisición de agua y nutrientes, y la formación de relaciones simbióticas. Otros aspectos arqui- tecturales importantes incluyen la distribución y la orientación de las raíces basales y laterales, la longitud y la densidad de los pelos radicales, y la propensión de las raíces para formar simbiosis exitosas, como el desarrollo de nódulos fijadores de nitrógeno y de micorrizas (Lynch y Brown, 2001; Fan et al., 2003). Figura 10. Regulación de la arquitectura del sistema radical del frijol común por la disponibilidad de fósforo. Bajo condiciones de baja disponibilidad de P (derecha) se estimula la producción de etileno (Borch et al., 1999), una hormona que desencadena la diferenciación de raíces adventicias, la formación de aerénquima, la reducción del ángulo de crecimiento de las raíces basales, la ramificación de la raíz pivotante, y aumento de la densidad y la longitud de los pelos radicales. Esta respuesta mejora “el forra- jeo” cerca de la superficie y reduce el costo metabólico de la exploración del suelo, porque se realiza con raíces ricas en aerénquima, un tejido cuyo costo de construcción y mantenimiento es bajo (traducida de Lynch y Brown, 2001; Fan et al., 2003). La región de la raíz localizada superficialmente en el suelo facilita la absorción de P y algunos micronutrientes, mientras que la porción profunda mejora la absorción de agua y otros minerales solubles y móviles en el perfil, como el nitrato. La adquisición de P se favorece con un sistema ra- dical que “forrajee” los horizontes superficiales donde la disponibilidad de P es usualmente mayor (Lynch y Brown, 2001; Ho et al., 2005), lo que requiere raíces adventicias, dispersión de las raíces laterales, y plasticidad para producir raíces finas preferencialmente alrededor de los parches de alta 33 disponibilidad de P (Snapp et al., 1995). Estos atributos no son tan deseables en los sistemas ra- dicales aptos para ambientes y sistemas de producción con sequía terminal, en los que el agua del suelo se localiza progresivamente más abajo en el perfil conforme avanza la ontogenia del cultivo y la sequía. En vista de que la ocurrencia del estrés múltiple es la regla en los agro-ecosistemas tropicales, y de que tanto la deficiencia de agua como la de fósforo causan incrementos en la relación raíz:tallo, la producción de cultivares con sistemas radicales dimórficos, vigorosos y distribuidos a lo largo de todo el perfil parece ser la recomendación arquitectónica más deseable. La arquitectura del sistema radical del frijol es considerablemente plástica, pero esta plasticidad involucra compromisos fisio- lógicos (“trade-offs”) que establecen los límites para el mejoramiento, particularmente cuando los recursos involucrados se encuentran localizados en diferentes secciones del perfil del suelo (Ho et al., 2005). La alta diversidad fenotípica del frijol común podría ser explorada para encontrar plan- tas con sistemas radicales diseñados para ambientes y sistemas de producción específicos. Las relaciones simbióticas Los nódulos y las micorrizas facilitan la absorción de agua y de los dos nutrientes minerales más limitantes en los suelos tropicales, N y P, a un costo relativamente bajo si su adquisición se compara con el costo energético de la aplicación de fertilizantes sintéticos o basados en piedra fosfórica. A pesar de su efectividad en la transferencia de nutrientes “en tiempo real” y del éxito agro-ecológico de los agro-ecosistemas con frijol, este alto potencial productivo permanece sub-utilizado: la fija- ción simbiótica de N2 por parte del frijol común es la más baja entre las leguminosas cultivadas. Igualmente, el conocimiento y la tecnología para la utilización de las micorrizas en la producción frijolera están sumamente rezagados. En este último caso, las aplicaciones son limitadas principal- mente por las dificultades para producir inóculo de alta calidad in vitro, la falta de sustratos adecua- dos para la supervivencia y la reproducción de los hongos, y la identificación y selección de razas y asociaciones complementarias y eficientes. Las plantas de frijol con relaciones simbióticas establecidas en sus raíces deben ser consideradas al menos como organismos triples, y tanto los nódulos como las micorrizas son sumideros muy importantes dentro del presupuesto de carbono, nitrógeno y minerales de las plantas. Las máximas tasas de fijación de N2 se obtienen bajo condiciones favorables para la fotosíntesis (Walsh et al., 1987) porque el costo metabólico de las relaciones simbióticas es significativo. El control del su- ministro de asimilados por parte de la planta es crucial para sustentar el metabolismo y regular la actividad simbiótica. Las dos simbiosis, los nódulos y las micorrrizas, son sinérgicas, y la planta puede compensar parcialmente las necesidades de los simbiontes a través de incrementos en la fotosíntesis. Los estudios indican que las micorrizas consumen 4-20 % del carbono fijado diaria- mente (Denison y Kiers, 2011). Los nódulos usan 6 % del carbono fijado por hospederos no mico- rrizados y 12 % en los hospederos micorrizados (Paul y Kucey, 1981). Tanto Rhizobium como los hongos micorrízicos pueden invertir cantidades sustanciales de los asi- milados suministrados por las plantas en la síntesis de sus propias reservas nutritivas, trehalosa y glucógeno en el caso de Rhizobium, además de ácidos grasos triacil-glicéridos (TAGs) de alto costo energético en las micorrizas. Esto puede exponer a los simbiontes a sufrir “sanciones” de parte de la planta hospedera, que “recompensaría” a los simbiontes más efectivos a través de una mayor asignación de asimilados (Selosse y Rousset, 2011). 34 Los nódulos y la fijación simbiótica del N2 atmosférico La diversidad de Rhizobium es enorme a lo largo de los centros de origen del frijol, donde preva- lecen las razas nativas adaptadas a los suelos ácidos y las altas temperaturas. El frijol común es un hospedero promiscuo que puede ser nodulado por múltiples especies de Rhizobium, pero la mayor actividad fijadora se lleva a cabo por R. etli, R. tropici y R. leguminosarum bv. phaseoli, con pro- medios de 20 Kg N/ha, lo que representa menos del 30 % de los requerimientos del cultivo. Los frijoles trepadores muestran la mayor actividad fijadora (Martínez-Romero, 2003), que puede al- canzar hasta 60-80 Kg N/ha en los frijoles peruanos (Manrique et al., 1993). Solo una pequeña proporción de los pelos radicales invadidos por Rhizobium se desarrollan en nó- dulos, lo que demuestra la astringencia y la especificidad de la relación simbiótica, la importancia de los factores de nodulación (nod-factors) a lo largo del proceso de infección, y la selección de las cepas que penetran la epidermis, que en algunos casos hace de las bacterias del nódulo una pobla- ción clonal (Weber et al., 2005). Luego del reconocimiento de la presencia de un hospedero me- diante la quimiotaxis (aminoácidos y luteolina), la colonización de la raíz del frijol se inicia con el reconocimiento, por parte de las lectinas localizadas en las membranas de las células epidérmicas, de las señales bacterianas (nod-factors) adecuadas. Esto es seguido por la penetración de las bacte- rias a través de un pelo radical, que se encorva sobre sí mismo encerrándolas, invierte la dirección del crecimiento en el ápice, y genera un hilo de infección transcelular, formado por invaginaciones de celulosa sintetizada por la planta, que conduce las bacterias hasta la corteza de la raíz, donde otros nod-factors inducen la mitosis activa y la diferenciación de un nódulo meristemático. La en- trada del hilo de infección resulta en el cese de la mitosis en fases avanzadas, produciéndose células grandes y poliploides que pueden alojar un gran número de bacterias (Sprent y James, 2007). Las células del nódulo no infectadas por Rhizobium proveen ácidos C4 (malato) como esqueletos de carbono a los bacteroides, gracias a una intensa actividad respiratoria (realizada a través de la glucólisis y el ciclo de Krebs), y sintetizan los ureidos nitrogenados (relación C:N de 2:1) expor- tados del nódulo hacia la copa. El proceso de nodulación también requiere de variaciones en la concentración citoplasmática de Ca+2 (“Ca-spiking”) (Weber et al., 2005). Las hormonas regulan la nodulación como una función de la salud general de las plantas, controlando el transporte de asimilados hacia los nódulos y a través de la producción de flavonoides, fenoles, estrigolactonas, brasinosteroides, y otros reguladores del crecimiento (Samac y Graham, 2007). Los niveles de citoquininas provenientes del meristemo radical aumentan y los de auxinas declinan durante la nodulación. Las “hormonas del estrés” como el etileno, el ABA, el jasmonato, y el ácido salicílico reprimen la nodulación, desencadenando procesos bioquímicos semejantes a la defensa contra los patógenos (Samac y Graham, 2007; Oldroyd y Downie, 2008). La estructura final del nódulo es la de un órgano que provee el ambiente adecuado para la fijación de N2 y el intercambio de nutrientes ente los simbiontes, conformado por un núcleo central que contiene células infectadas con bacteroides fijadores de N2, en grupos de 4-6 bacterias altamente diferenciadas y encapsulados por membranas (simbiosomas), rodeados de una zona cortical donde se localizan los tejidos vas- culares de la planta (Figura 11). 35 Figura 11. Estructura de un nódulo formado en las raíces de una planta leguminosa. Se observan la corteza externa (A), corteza interna (B), y el núcleo central formado por células infectadas con la presencia de ba- cetroides bien diferenciados (C). Un haz vascular se observa a la derecha (traducida de Brear et al. 2013). Los nódulos del frijol son de color cremoso, esféricos, y de crecimiento determinado. Los nódulos funcionales son rojos en el interior debido a la presencia de la leg-hemoglobina, una proteína rica en hierro, esencial en el transporte y la homeostasis de oxígeno en el nódulo, donde regula la respi- ración y la actividad de la nitrogenasa de los bacteroides, la enzima que convierte el N2 en amonio, una forma nitrogenada útil para las plantas (Fernández-Luqueño et al., 2008; Oldroyd y Downie, 2008). Numerosos factores fisiológicos y ecológicos afectan el funcionamiento y la efectividad de los nódulos, como el abastecimiento de asimilados por parte de la planta, el contenido de nitrógeno del suelo, el estrés hídrico (Serraj et al., 1999), y la temperatura del suelo. Desde el punto de vista fisiológico, las plantas detectan la calidad del simbionte y aplican “sanciones” nutricionales a los nódulos poco activos en la fijación de N2, o a aquellos que invierten muchos asimilados en la sín- tesis de sus propias reservas, o cuando la disponibilidad de nitrógeno en el suelo es alta, luego de una aplicación de fertilizantes nitrogenados (Kiers et al., 2011; Selosse y Rousset, 2011). Como resultado, los nódulos más activos en la fijación de N2 son usualmente los más grandes también. Varios aspectos agro-ecológicos pueden ser intervenidos para mejorar la fijación biológica de N2, como la inoculación de las semillas con cepas de Rhizobium eficientes y el acondicionamiento del suelo para favorecer el proceso de infección. El escape de Rhizobium de los nódulos de las plan- tas senescentes, su reproducción y su sobrevivencia en el suelo, en la forma de bio-películas y de biotipos resistentes a la desecación y la hambruna (“persisters”), pueden ser asistidos facilitando la fase saprofítica de las bacterias y proveyéndoles hospederos alternativos en los campos de cultivo. El potencial de nodulación en un suelo depende además de la abundancia de depredadores como los protozoarios y los bacteriófagos, la competencia con otras bacterias del suelo, y la presencia de xenobióticos, algunos especialmente perjudiciales para las bacterias (Denison y Kiers, 2011). La eficiencia de la fijación biológica de N2 en el campo puede ser determinada por métodos visua- les que consideran la apariencia y el color de las plantas y de los nódulos, métodos moleculares que 36 utilizan “reporter genes” y otras herramientas genéticas, microbiológicos que miden la biomasa microbiana, las poblaciones de bacterias y depredadores y el potencial de inoculación de los sue- los, y fisiológicos como la medición de la actividad enzimática y de la concentración de ureidos, trehalosa, y diversos compuestos orgánicos, muchos nitrogenados, transportados en la savia de las plantas (Wilson et al., 1995). Las micorrizas del frijol común y su relación con la calidad de las semillas Las micorrizas son “órganos quiméricos” del tipo arbuscular (MAs) (Selosse y Rousset, 2011) for- madas por miembros del orden Glomales, con seis géneros y 149 especies de biotrofos obligados, entre los que sobresalen Glomus, Acaulospora, Entrophospora y Scutellospora (Selosse y Rousset, 2011). Constituyen la forma natural de las micorrizas de la gran mayoría de las plantas en el campo (Figura 12).